光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Ω為保護(hù)電阻。 ②陽(yáng)極靈敏度 陽(yáng)極靈敏度 SP 是指光電倍增管在一定工作電壓下陽(yáng)極輸出電流與照在陰極面上光通量的比值，即 SP=IP/Ф（ A/lm），它是一個(gè)整管參數(shù)。在測(cè)量時(shí)為保證光電倍增管處于正常的線性工作狀態(tài)，光通量要取得比測(cè)量陰極靈敏度時(shí)小一些，因?yàn)楸对鰳O材料的二次發(fā)射系數(shù)σ值是所加電壓的函數(shù)，所以光電倍增管的陽(yáng)極靈敏度與整管工作電壓有關(guān)。 放大倍數(shù)（電流增益） 在一定 的工作電壓下，光電倍增管的陽(yáng)極信號(hào)電流和陰極信號(hào)電流之比稱為該管的放大倍數(shù)或電流增益，以符號(hào) M 表示，則 M = IP/IK 式中， IP為陽(yáng)極信號(hào)電流； IK 為陰極信號(hào)電流，放大倍數(shù) M 主要取決于系統(tǒng)的電子倍增能力，因此它也是工作電壓的函數(shù)，由于陽(yáng)極靈敏度包含了放大倍數(shù)，也可以在一定工作電壓下測(cè)試出陽(yáng)極靈敏度 SP和陰極靈敏度 SK的數(shù)值，然后求其比值即可得放大倍數(shù)，即 M = SP/SK 以上是理論定義，真正測(cè)試時(shí)，由于增益數(shù)值很大，一步測(cè)定 M 值比較困難，通常所采用的方法之一是： 首先在足夠弱的光通量下測(cè)定與某一 工作電壓相應(yīng)的陽(yáng)極電流 IP（注意陽(yáng)極電流應(yīng)在線性范圍內(nèi)），然后，使光通量增強(qiáng) m 倍（注意不能改變光譜分布），測(cè)定陰極電流 IK，這時(shí)只有光電倍增管的第一級(jí)和前幾級(jí)倍增才施加正常電壓，以免光電倍增管輸出過(guò)載，這時(shí)電流增益可按下式求得： M = SP/SK m 式中： IP— 弱光通量下測(cè)定的陽(yáng)極電流； IK— 強(qiáng)光通量下測(cè)定的陰極電流； m— 光通量的增加倍數(shù)。 15 暗電流 光電倍增管 在 完全沒(méi)有一點(diǎn)光照的情況下，在規(guī)定的工作電壓下，測(cè)得的陽(yáng)極輸出電流。光電倍增管的暗電流與工作電壓及環(huán)境溫度有密切關(guān)系。暗電流決定 光電倍增管能測(cè)定的最小光通量（即該管的極限靈敏度）。 暗電流是由熱電子發(fā)射、極間漏電流，管內(nèi)殘余氣體的離子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射，管內(nèi)熒光等引起的。 供電電路 （ 1）高壓的連接方式 光電倍增管的供電方式有兩種，即負(fù)高壓接法，（陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽(yáng)極接電源正高壓，電源負(fù)端接地）。 負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號(hào)，也可以交流輸出信號(hào)，操作安全方便，缺點(diǎn)在于因玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應(yīng)至少離開(kāi)管子玻殼 1~2mm，使系統(tǒng)的外形尺寸增大，否則由于靜電屏蔽的寄 生影響，暗電流與噪聲都會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)采用負(fù)高壓接法。 （ 2）分壓器 光電倍增管極間電壓的分配最常用的方案是如圖 1 所示的電阻鏈分壓器，最佳的極間電壓分配取決于三個(gè)因素：即陽(yáng)極峰值電流、允許的電壓波動(dòng)、允許的非線性偏離。 光電倍增管極間的分配可按前級(jí)區(qū)、中間級(jí)區(qū)和末級(jí)區(qū)加以考慮，前級(jí)區(qū)的收集電壓必須足夠高，以便第一倍增極有高的收集效率和大的二次電子發(fā)射系數(shù)，中間級(jí)區(qū)的各級(jí)間通常具有均勻發(fā)布 的級(jí)間電壓，以便管子獲得最佳增益，由于末級(jí)區(qū)各級(jí)特別是末級(jí)需支取較大電流，所以末級(jí)區(qū)各級(jí)間電壓不能過(guò)低，以免形成空間電荷效應(yīng)而使管子失去應(yīng)有的直線性。 當(dāng)陽(yáng)級(jí)電流增大到與分壓器電流相比擬時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致末級(jí)區(qū)各級(jí)間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，為防止級(jí)間電壓的再分配以保證增益的穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽(yáng)極電流的 20 倍，對(duì)于直線性要求很高的使用場(chǎng)合，如精密的光幅射測(cè)量中，為了保證測(cè)量信號(hào)的線性度優(yōu)于 1%，一般要求分壓器上的電流是陽(yáng)極最大光電流的 100倍以上。 當(dāng)確定了分壓器電流后，就可以根 據(jù)光電倍增管的最大陽(yáng)極電壓算出分壓器的總電阻，再按照適當(dāng)?shù)募?jí)間分壓分配，由總電阻求出各分壓電阻的阻值。 16 （ 3）輸出電路 光電倍增管輸出的是電流信號(hào)，輸出阻抗很高，可作為一個(gè)理想的恒流源來(lái)考慮，因此輸出電流與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)。實(shí)際上，對(duì)負(fù)載阻抗也存在一個(gè)上限，因?yàn)樨?fù)載電阻上的電壓降明顯地降低末級(jí)倍增極與陽(yáng)極之間的電壓，因而會(huì)降低放大倍數(shù)，致使光電特性偏離線性。 當(dāng)光電倍增管用在低頻光信號(hào)測(cè)量中時(shí)，陽(yáng)極輸出的光電流可采用電流 /電壓放大器，此時(shí)光電倍增管應(yīng)采用負(fù)高壓供電，如圖 2 所示，輸出信號(hào) V0=Ip Rf 此時(shí)運(yùn)算放大器的同、反相端為同電位，陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓不受光電流信號(hào)的影響。 四、實(shí)驗(yàn)裝置 光電倍增管測(cè)試裝置及暗箱前面板接線柱分布如圖 3 所示。測(cè)試暗箱分上下兩層。50W/12V 鹵鎢燈發(fā)射光 經(jīng) 過(guò)中性小孔減光盤后，由漫透射板出射均勻的漫透射光。反光 減 光 盤 漫 透 射 板 反 光 鏡 漫 反 射 板 光 電 倍 增 管 放 光 電 器 件 位 置6 7擋 屏 2擋 屏 398擋 屏 1擋 屏 4 125341 3 0 K K D 1 D 2 D 3D 9A1 M1 3 0 K 1 3 0 K 1 3 0 K 光 源（ 鹵 鎢 燈 ）信 號(hào)輸 出 端電 源輸 入 端圖 3 光電倍增管測(cè)試裝置 Rf V0=Ip Rf HV Ip AMP _ + Cf A K 圖 2 陽(yáng)極電流測(cè)量電路 17 鏡 將光束從暗箱的上層轉(zhuǎn)折到下層，再經(jīng)過(guò)漫反射板散射后，光信號(hào)再一次衰減，最后相對(duì)微弱的光信號(hào)照到光電倍增管上。 實(shí)驗(yàn)用光電倍增管（ 931A）直徑 1－ 1/8 英寸、鼠籠形、九級(jí) 倍增、側(cè)窗型、硼硅玻殼、銻銫光陰極、 300～ 650nm、最大響應(yīng)波長(zhǎng) 400nm。各光電倍增管陰極靈敏度如下表 編號(hào) 7996 8121 8699 8756 9064 9232 9277 9284 9653 9669 Sk( uA/ｌ m ) 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 暗電流測(cè)量 （ 注意：鹵鎢燈不開(kāi) ） （１）電流 /電壓放大器 連電源（ +12v/12v 、 GND， +5v、地） 連 out 至 1000k、連 Vo1 至 Vi連 +5V/Ｂ至Ｂ（放大 10０倍）。記下此時(shí)的 V’（ Vo2） 。 （ 注意：此步 驟 時(shí)不連信號(hào)線 ） （２）將暗箱前面板接線柱接線柱①②短接，③連接到高壓輸出負(fù)端 (HV)，④接正端（地）。 （３）陰極輸出信號(hào)④⑤用信號(hào)線連接到電流 /電壓放大器。④接地、⑤接屏蔽線的芯線。 （４）調(diào)節(jié)光電倍增管電源上的電位器至最小（逆時(shí)針到底），開(kāi)電源開(kāi)關(guān)， 調(diào)高壓從 –400V 到 1000Ｖ，記下相應(yīng)的 Vo2 值，高壓調(diào) 小后關(guān)電源。 處理后得 暗電流與所加的電壓之間的關(guān)系 。 測(cè)試條件： 第一級(jí)反饋電阻 Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 負(fù)高壓 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 輸出電壓 Vo2 Vo =Vo2V’ 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負(fù)高壓 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V 輸出電壓 Vo2 Vo =Vo2V’ 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 18 光電倍增管增益和陽(yáng)極靈敏度測(cè)量 （ 1）連接線路參照暗電流測(cè)量線路 （ 2）開(kāi) 鹵鎢燈電源 （ 4A） ， 調(diào)節(jié)減光盤，選擇兩種入射光照（ 減光盤刻度 1 處 ）下，測(cè)量光電倍增管在不同高壓（ 400 伏至 1000 伏）時(shí)的陽(yáng)極光電流。 測(cè)試條件： 第一級(jí)反饋電阻 Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 負(fù)高壓 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 輸出電壓 Vo2 E1= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負(fù)高壓 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V E1= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) ３、光電陰極面上的入射光通量測(cè)量 （ 1）將接線柱①②連接到電流 /電壓放大器，③④分別接到高壓電源的負(fù)（地）、正輸出端。 （ 2）將高壓電源的輸出調(diào)至 450V~500V。 （ 3） 打開(kāi) 鹵鎢燈 電源（ 4A），測(cè)量 入射光 最大（減光盤刻度３）時(shí) 相應(yīng)的 Vo2 值 ，計(jì)算光電陰極面上的入射光通量。 測(cè)試條件：實(shí)驗(yàn)用光電倍增管陰極靈敏度 Sk( uA/ｌ m )＝ ，負(fù)高壓 (V)＝ ， 第一級(jí)反饋電阻 Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 記錄 輸出電壓 Vo2＝ 計(jì)算得到光通量＝ ４、根據(jù)２、３的結(jié)果及陰極靈敏度表，計(jì)算光電倍增管在不同高壓時(shí)的陽(yáng)極靈敏度和增益，并畫出相應(yīng)的特性曲線。 《注意事項(xiàng)》 在開(kāi)啟 高壓 開(kāi)關(guān) 、鹵鎢燈電源開(kāi)關(guān) 前，首先要檢查連接線 是 否正確 ， 檢查 各輸出旋鈕是否 處于 最小位置。 關(guān) 高壓電源 前 ，首先要把旋鈕旋到最小位置，然后關(guān)斷。 19 光電倍增管對(duì)光的響應(yīng)極為靈敏，因此在沒(méi)有完全隔絕外界光的情況下，切勿對(duì)管子施加工作電壓，絕不允許在強(qiáng)光下開(kāi)啟光電倍增管電源，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)倍增極的損壞。 不準(zhǔn)在超過(guò)規(guī)定工作電壓最大值時(shí)使用。 六、預(yù)習(xí)要求 復(fù)習(xí)教科書中的相關(guān)內(nèi)容； 預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，編制實(shí)驗(yàn)操作步驟。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 畫出實(shí)驗(yàn)所用管子的接線圖，并注上所用參數(shù)。 做出暗電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系曲線。 計(jì)算減光盤處 于各檔時(shí)，陰極面上入射的光通量。 計(jì)算不同高壓時(shí)，光電倍增管的陽(yáng)極靈敏度及放大倍數(shù)。 對(duì)以上計(jì)算結(jié)果和曲線作相應(yīng)分析，并說(shuō)明原因。 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)對(duì)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量有哪些改進(jìn)措施。 八、思考題 光電倍增管是依據(jù)哪兩個(gè)原理工作的？本實(shí)驗(yàn)所采用的光電倍增管光電陰極采用什么材料？響應(yīng)波長(zhǎng)范圍多少？峰值波長(zhǎng)多少？ 光電倍增管的倍增級(jí)結(jié)構(gòu)有幾種形式？各有什么特性？本實(shí)驗(yàn)采用的又是哪種結(jié)構(gòu)？進(jìn)光形式在端面還是在側(cè)面？ 光電倍增管的供電電路有幾種形式，本實(shí)驗(yàn)采用哪種形式 ?有什么特點(diǎn)？ 本實(shí)驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)注意哪些問(wèn)題？為什么？ 20 實(shí)驗(yàn)四 位置靈敏探測(cè)器（ PSD） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握位置靈敏探測(cè)器 PSD 的工作原理及特點(diǎn)。 掌握位置靈敏探測(cè)器 PSD 的直流工作電路。 掌握利用位置靈敏探測(cè)器 PSD 進(jìn)行光點(diǎn)的位置檢測(cè)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 位置靈敏探測(cè)器（ Position Sensitive Detectors）是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電探測(cè)器件，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)控（對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng)）、平面度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)系統(tǒng) 等。 PSD 的工作原理 圖 1 是一個(gè) PSD 的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，在一個(gè)平面硅基片上制作了一個(gè) PIN 三層結(jié)構(gòu)，上面為 p 層，下面為 n 層，中間為 I 層， p 層是有均勻電阻率的光敏層。 當(dāng)入射光照射到 PSD 的光敏層上，在入射位置上就產(chǎn)生了與光能成比例的電荷，此電荷通過(guò)電阻層為電極所吸收而形成光電流 .由于 p 層的電阻是均勻的，所以電極①和電極②輸出的電流分別與入射位置和電極之間的距離成反比。設(shè)電極①和電極②間的距離為 2L，電極①和電極②輸出的光電流分別為 I1和 I2，兩者之和為 I0，則 I0=I1+I2 圖 1 PSD 結(jié)構(gòu)示意圖 若以 PSD 的中心點(diǎn)位置作為原點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為 xA，如圖 1 所示，于是 ????????????????1212AA02A01IIIIxL2xLIIL2xLII （ 1） I1 ③ I0 I2 L L P 層 i 層 n 層 ① ② xA 21 利用式 1 即可確定光入射點(diǎn)對(duì)于器件中心的位置 xA，它只與 I I2電流的和、差及比值有關(guān) . 位置傳感器分類 PSD 分為兩類：一維 PSD 和二維 PSD。一維 PSD 主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維（ x 坐標(biāo)）方向上的運(yùn)動(dòng)位置。二維 PSD 主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在平面上地二維（ x， y）坐標(biāo)，它地受光面是方形的，比一維 PSD 多一對(duì)電極。按其結(jié)